中缅油气管道工程电驱站冷却水方案比选

2015-02-07李洪涛赵立前史玉峰徐战强陈国明徐长航

石油工程建设 2015年1期

关键词：电驱水冷冷却塔

李洪涛，赵立前，史玉峰，徐战强，陈国明，徐长航

1.中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊065000

2.中国石油大学（华东），山东青岛266580

中缅油气管道工程电驱站冷却水方案比选

李洪涛1，赵立前1，史玉峰1，徐战强1，陈国明2，徐长航2

1.中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊065000

2.中国石油大学（华东），山东青岛266580

中缅管道分输压气站多为电驱站，压缩机运行时，电机和变频器会产生大量热，影响运行状态与设备寿命。因此选择技术经济合理的冷却水方案对分输压气站及整个管网的安全稳定运营至关重要。以中缅油气管道工程某电驱压气站压缩机电机与变频设备为例，论述现阶段存在的主要冷却方式；首次系统地结合工程实践，针对耗水量、耗电量及其他经济指标，介绍并分析工程设计中冷却方案的比选思路与过程；比较水冷、空冷、机冷方式在站场投资、节能环保、维护工作量、环境适应能力等方面所需费用及工作量。结果表明水冷方式在站场运营中具有较强可行性并通过已建工程得以验证，冷却方案的比选思路与过程可供后续站场与有关设计人员参考。

中缅油气管道；压缩机；电驱站；冷却水方案

0 引言

随着电力电子技术的发展，中压大功率变频调速技术已日趋成熟，变频电机驱动压缩机组因技术含量高、设备运行平稳可靠、效率高、操作维护简单、运行维护成本低、节能环保、经济效益可观等优点，在外电源可靠的情况下已逐步应用至石油天然气长输管道增压领域，替代传统的燃气轮机，成为长输管道增压驱动设备的首选[1-3]。

中缅管道分输压气站多为电驱站，压缩机运行时，电机和变频器会产生大量热，影响运行状态与设备寿命。因此选择技术经济合理的冷却水方案对分输压气站及整个管网的安全稳定运营至关重要[4-6]。

目前国内外用来冷却压缩机电机与变频器的方案有水冷、空冷和机冷，不同方案的能耗与对投资的要求不同。现有文献及资料仅定性地对单一类型方案进行描述，且部分要求与实际运行相矛盾，缺乏指导性。本文首次系统地结合工程实践，对水冷、空冷和机冷三种方案进行定量技术经济比选，从节能环保、维护工作量、环境适应能力与投资等方面对各方案进行比较，比选思路与过程可供有关设计人员参考。

1 冷却本体介绍

变频器本体采用水-水冷却方式。内部采用密闭式循环去离子水对整流模块和逆变模块等功率单元进行冷却，内部去离子水通过水/水热交换器与外循环的冷却水进行热交换，使内部去离子水保持适宜的温度，变频器冷却原理见图1。

图1 变频器冷却原理

电机本体采用空-水冷却方式。电机的内部部件（铁芯、线圈等）通过空气冷却，而空气通过空水冷却器与外循环的冷却水热交换后冷却，电机冷却原理见图2。

2 冷却原理

2.1 压缩机电机、变频器冷却要求

图2 电机冷却原理

压缩机电机、变频器冷却水冷却结构分为内部循环和外部循环两部分，内部循环由厂家配套供应，外部循环方案需要在初步设计阶段落实。变频器运行要求进水温度为5～35℃，冷却水流量27.6 t/h，损耗0.20 MPa，最高出水温度38.1℃，最大运行压力0.5 MPa，接口管径DN80 mm，变频装置的运行环境温度为0～40℃；每台变频装置散发到空气中的热量为22 kW。

电机运行要求进水温度为5～35℃，最大出水温度为42℃，冷却水流量为80～120 t/h，压力损耗为0.05 MPa，最大运行压力为0.5 MPa，接口管径DN150 mm。

冷却设备根据冷却介质分为水冷设备和风冷设备。水冷设备一般为闭式冷却塔（以下简称水冷）；风冷设备一般为空冷器（以下简称空冷）、风冷冷水机组（以下简称机冷）。

2.2 水冷（见图3）

图3 水冷冷却原理示意

水冷主要是通过外部循环的介质水和内部循环的接触传热，冷却温度差是外循环冷却介质温度和内循环介质的温度差。外循环介质是通过冷却塔冷却，冷却塔的冷却原理是通过冷却塔的喷淋水与外循环的盘管接触传热和蒸发传热型式冷却，冷却塔的设计参数是当地的湿球温度、水的汽化热和内循环的温度差，经外循环冷却后的水温与当地湿球温度的温度差（冷幅高）决定了冷却塔的冷却效果，冷却后水温越接近当地湿球温度，冷却效果越好[7]。冷却塔在运行期间由于水的蒸发和定期排污，需要有充足的供水条件和排污条件。使用水冷需要对补水条件和排污条件进行分析。

水冷是成熟的技术，已经成功应用于西气东输工程（包括西气东输增输、西气东输安全改造工程）、陕京输气管道工程、西气东输二线管道工程。水冷需要在运行期间加强维护，以防止冬季进风口及散热盘管结冰和盘管表面结垢等问题。

解决冰冻措施：针对站场当地的气象条件，采用冬季最冷月份最高温度的平均值作为停止喷淋的温度限值，保证冬季不冻结；同时将控制流程由单台控制改为联合控制，即盘管散热→风机（逐台）→喷淋（逐台）。

解决结垢措施：一般硬度偏高的水超过60℃，持续热时间超过2 h才会结垢，此结垢应该为空气中的尘埃粘附在盘管表面积聚而成，为解决此问题，会在设计说明中增加冲洗周期的要求。

2.3 空冷

空气冷却器通过采用环境空气作为冷却介质，横掠翅片管外，使管内高温工艺流体得到冷却或冷凝的设备，也称“空气冷却式换热器”，简称“空冷器”，空冷器常用来代替水冷式壳－管式换热器，可节省外循环用水和循环水排污。在缺水地区，以空冷代替水冷，可缓解水源不足的问题。空冷器主要由管束、风机、构架及百叶窗组成。

空冷是通过空气与内部循环的接触传热，冷却温度差是当地的干球温度和内部循环的温度差，即冷幅宽。冷幅宽表示温降的绝对值，不能表示冷却后的温度，所以当地的干球温度如果超过了内循环水温或者冷幅宽值小，空冷的使用将受到限制，冷幅宽值高于8℃以上时，经济性较好。

空冷的设计参数是内循环温度、当地的干球温度和空气的比热容，其中当地的干球温度和内循环的温度差决定了风冷设备规格的选择[8]。

2.4 机冷

机冷是在空冷的基础上串联冷水机，通过冷水机直接对压缩机电机和变频器内循环冷却水进行冷却。冷水机工作原理：液体制冷剂在蒸发器中吸收被冷却的物体热量之后，汽化成低温低压的蒸汽，被压缩机吸入、压缩成高压高温的蒸汽后排入冷凝器，在冷凝器中向冷却介质（水或空气）放热，冷凝为高压液体，经节流阀节流为低压低温的制冷剂，再次进入蒸发器吸热汽化，达到循环制冷的目的。这样，制冷剂在系统中经过蒸发、压缩、冷凝、节流四个基本过程完成一个制冷循环。

机冷冷水机组主要由螺杆式压缩机、冷凝器、蒸发器、自然冷却器、风机、膨胀阀及电控系统组成，原理如图4所示。机冷不受环境条件限制，但是一次性投资高，同时运行期间需要消耗大量的电能。

图4 机冷冷却原理示意

3 冷却设备比选

以一套电机和变频器为基础，按气象条件进行技术经济比较，以保证电驱站压缩机正常运行。

3.1 外循环计算

补水量=蒸发量+漂水量+排污量。

（1）蒸发量：

E=K1Δt Q

式中E——蒸发损失水量/（t/h）；

Δt——冷却塔进水与出水温度差/℃；

Q——循环水量/（t/h）；

K1——系数，数值按表1选用。

表1 系数K1的选取

（2）漂水量：

漂水量=喷淋量×漂水率

其中漂水率为0.005%（技术规格书要求）。

（3）排污量：

B=E/（K-1）

式中B——排污量/（t/h）；

K——浓缩倍数。

3.2 水冷能耗分析

采用水冷方式各月耗水量见表2，因而全年总耗水量约10 605 t。水冷各月耗电量见表3，因而全年总耗电量约239 000 kW·h。

表2 水冷耗水量

表3 水冷耗电量

3.3 空冷能耗分析

采用空冷方式全年总耗电约328 500 kW·h。

3.4 机冷能耗分析

采用机冷方式耗电量见表4，全年总耗电约777 448 kW·h。

表4 机冷耗电量

3.5 经济技术比选

（1）在运行费用方面（见表5），水冷方式较为经济，但耗水量较大，适合于水量充足的地区。在节能环保方面，水冷方式耗水量大但耗电量小；空冷与机冷均无水耗，但耗电量较大，是水冷的2～4倍。

表5 费用对比/万元

（2）在维护工作量方面，水冷外循环为开式，内循环为闭式，外循环需根据蒸发率补水且需定期清洗冷却塔盘管，防止藻类和泥垢降低冷却塔冷却效率；空冷无需补水，控制系统与机组集成，操作方便，需清理翅片，风机电机需维护；机冷无需补水，控制系统与机组集成，操作方便，需专业人员维护保养并定期补充制冷剂及清洗换热器，维护工作量较低。

（3）在环境适应能力方面，水冷需有稳定可靠的水源；空冷对于极端温度无法满足要求；机冷的环境适应能力较强，受水源及温度影响较小。

（4）在占地面积方面，水冷占地24 m2，最小；空冷占地108 m2，最大；机冷占地30 m2，居中。

（5）其他方面，水冷国内生产厂家多，在水源充足地区初投资及运行费用低，且冷却效率最高；空冷与机冷方式在温度较高地区初投资及运行费用高，不建议使用。

4 结论

根据水冷、空冷、机冷能耗分析，中缅管道站场中水冷方案最优。在压气站满足循环冷却水补充和循环冷却水排污的条件下，采用水冷方案可以低成本高效率地完成压缩机电机与变频器的冷却任务。同时在节能环保、维护工作量、环境适应能力等方面，水冷方案在中缅管道工程站场运营后检修成本低，操作简单，易于场区工作人员定期护理。在实际应用中，该站场压缩机系统运行良好，表明冷却能力满足电机与变频器工作要求。本文所述冷却方案的比选思路与过程可供有关设计人员参考。

[1]吕开均.变频电驱压缩机组运行中应注意的问题及对策[J].油气储运.2009，28（10）：81-83.

[2]Li Hongtao，Xu Zhanqiang，Zhu Benrui.Design of cooling water scheme of gas compressing station in west-to-east gas pipeline[J].Applied Mechanics and Materials，2014，577：580-583.

[3]Hoi Wai Shih.Damage Assessment in StructuresUsing Vibration Characteristics[D].Queensland：Queensland University of Technolgy，2009.

[4]LoutasT H，SotiriadesG，KalaitzoglouI，etal.Condition monitoring of a single-stage gearbox with artificially induced gear cracks utilizing on-line vibration and acoustic emission measurements[J].Applied Acoustics，2009，70（9）：1148-1159.

[5]Francois D.Alerts and catastrophes：The case of the 1999 storm in France，a treacherous risk[J].Sociologie du travail，2010，52（1）：1-21.

[6]李洪涛，史玉峰，翟建习，等.海洋平台振动监测技术试验研究[J].中国安全科学学报，2012，22（12）：46-50.

[7]李洪涛，刘跃，赵立前，等.基于振动与声发射信息融合的海洋平台损伤定位方法实验[J].天然气工业.2013，33（4）：120-124.

[8]LoutasT H，SotiriadesG，KalaitzoglouI，etal.Condition monitoring of a single-stage gearbox with artificially induced gear cracks utilizing on-line vibration and acoustic emission measurements[J].Applied Acoustics，2009，70：1 148-1 159.

Comparison of Cooling Water Schemes of Electrical Driven Station of China-Myanmar Oiland Gas Pipeline Project

LiHongtao1，Zhao Liqian1，ShiYufeng1，Xu Zhanqiang1，Chen Guoming2，Xu Changhang2
1.China Petroleum Pipeline Engineering Co.，Ltd.，Langfang 065000，China
2.China University of Petroleum，Qingdao 266580，China

Most compressor stations of China-Myanmar Oil and Gas Pipeline project are electric-driven stations.When compressor operates，motor and frequency conversion equipment generate much heat，which affects compressor working status and life.Choosing reasonable technical and economic scheme of cooling water is important for compressor station to operate safely and stably.By focusing on the motor and frequency conversion equipment of the compressor at one electric-driven compressor station of China-Myanmar Oiland Gas Pipeline project，this paper introduces the present main cooling ways；analyzes the thoughts and process of selecting cooling scheme in engineering design with respect to water consumption，power consumption and other economical indexes in combination with engineering practice；compares the costs and work quantities in station investment，energy consumption，environmental protection and maintenance for water cooling，air cooling and motor cooling.The results show that the water cooling has stronger reliability in China-Myanmar Oil and Gas Pipeline project，which is validated later through established engineering projects.The cooling scheme comparison method can provide a reference for subsequent design.

China-Myanmar Oiland Gas Pipeline；compressor；electric-driven station；cooling water scheme